MxSnyPz（M=Sn，Cu，Zn）量子点/碳分级微纳结构储钠材料可控制备、形成机理及电化学机理研究

Tin phosphide-based anode materials have attracted a lot of interests due to the high capacity and abundant raw materials. Tin phosphide-based anode materials still suffer from, however, the low ion diffusion, low electric conductivity, and huge volume change during cycling, resulting in limited electrochemical performance. In order to solve these problems, this project proposed the following strategies: prepare MxSnyPz (M=Sn, Cu, Zn) quantum dot materials to reduce the ion diffusion path; introduce Cu, Zn to improve the conductivity, stabilize the structure of P (Na3P), and prevent the agglomeration of Sn nanoparticles during charging/discharging for the increase of cycling performance; introduce carbon materials (prepare MxSnyPz (M=Sn, Cu, Zn)/C hierarchical materials) to increase the stability of SEI film and conductivity, as well as structural stability. The electrochemical performance and the ion/charge-transfer mechanism of the micro-nano materials will be studied for the different nanomaterials with the aid of computer simulation techniques. We will study the mechanisms of the formation, evolution, and controllable preparation for the quantum dot/carbon hierarchical micro-nano materials, clarify the influence of different metals (Cu, Zn) and the synergistic effect of electrochemical performance, provide a theoretical guidance for the synergistic effect – ion/charge transfer – sodium storage properties, and propose a new scientific viewpoint for the rational design of materials and large-scale preparation.

磷化锡基负极材料具有容量高、原料丰富等特点。然而在充放电过程中体积变化大及离子/电子传输慢等，使得其不能充分发挥其性能。为解决这些问题，本项目拟从制备量子点以减小离子扩散路径出发，构建MxSnyPz（M = Sn，Cu，Zn）量子点/碳分级微纳材料；通过引入Cu/Zn提高电化学过程中的导电性，稳定P（Na3P）结构及阻止Sn的团聚以提高循环性能；引入碳复合材料制备分级微纳结构，提高材料的SEI膜稳定性、整体结构稳定性及导电性。通过纳米材料结构设计，辅助计算机模拟技术，调控微纳结构材料的电化学行为，研究材料在电化学反应中的电子/离子传输机理；并深入了解材料制备过程中量子点/碳分级微纳结构的形成、演化及控制机制，阐明不同金属的存在及协同效应对电化学性能的影响，对协同效应-电子/离子传输机理-电化学储钠性能提供前沿理论指导，为材料的合理设计及规模化制备提出新的科学依据。

发展高比能、长循环稳定的二次电池储能技术是应对石化能源短缺及环境污染问题的重要手段。当前的锂离子电池关键材料出现严重短缺现象，与锂同族的钠具有与其相近的物理化学性质，且具有丰富的储量、低廉的价格等特性。因此，钠离子电池可望成为锂离子电池的最佳替代品，广泛应用于低速电动车、调节可再生能源及固定式储能等领域。目前钠离子电池的负极主要为硬碳材料，容量相对较低。因此，针对钠离子电池发展制备具有高密度的储能材料具有重要的意义。借鉴材料结构设计在锂离子电池中的研究经验，本项目面向具有高比容、长循环稳定的负极材料进行研究，设计制备了多种结构不同材料的钠离子电池负极材料。利用先进的物理化学方法及电化学表征技术研究材料的电化学过程，并结合理论计算分析材料的储能机理，揭示影响其性能的主要因素。通过构筑高比能长循环的钠离子电池负极材料，为钠离子电池发展奠定良好的科学研究基础。